Alkanole und Phenole – Eigenschaften und Reaktionen

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es wieder um die Alkanole und Phenole. Heute werden wir uns mit ihren Eigenschaften und wichtigsten Reaktionen beschäftigen. Entsprechend ist die Gliederung etwas umfangreicher als gewöhnlich. 1. Siedepunkte

1. Löslichkeit

2. Alkohole als Säuren und Basen

3. Phenol ist eine Säure

4. Elektrophile Substitution des Phenols

5. Oxidation von Alkoholen

6. Dehydratisierung von Alkoholen

7. Zusammenfassung

8. Siedepunkte: Siedepunkte lassen sich in der Regel gut im Vergleich erklären. Wir wollen hier die Siedepunkte der Alkanole und Phenole im Vergleich zu vergleichbaren Kohlenwasserstoffen betrachten. Auffallend ist, dass der 1. Vertreter der Alkanole, das Methanol, mit der abgekürzten Strukturformel CH3OH und der molaren Masse von 32 g/mol bereits bei Raumtemperatur flüssig ist. Die Siedetemperatur beträgt 65 °C. Im Vergleich dazu der Kohlenwasserstoff Ethan, abgekürzte Summenformel CH3CH3, molare Masse 30 g/mol. Das heißt, nur etwas weniger, allerdings siedet Ethan bereits bei -89 °C. Das bedeutet ein Plus von 154 °C zugunsten von Methanol. Ethanol mit der Halbformel CH3CH2OH und der molaren Masse von 46 g/mol hat eine Siedetemperatur von 78 °C. Im Vergleich dazu: Propan mit der Halbformel CH3CH2CH3 und einer molaren Masse, nur wenig weniger, von 44 g/mol, siedet allerdings bereits bei -42 °C. Das bedeutet ein Plus von 120 °C zugunsten von Ethanol. Zuletzt schließlich, als Vertreter der Phenole, eben das Phenol. Ein Benzolring, an dem anstelle eines Wasserstoffatoms eine Hydroxygruppe OH sitzt. Die molare Masse beträgt 94 g/mol, die Siedetemperatur beträgt 182 °C. Eine gute Vergleichsverbindung für das Phenol ist Toluol. Hier wurde im Benzolring ein Wasserstoffatom durch eine Methylgruppe CH3 ersetzt. Die molare Masse ist vergleichbar mit der des Phenols, 92 g/mol. Die Siedetemperatur allerdings beträgt nur 111 °C. Damit ergibt sich ein Plus von 71 °C zugunsten des Phenols. Der Statistiker oder Bürokrat lässt es dabei bewenden. Der wahre Naturwissenschaftler jedoch fragt an dieser Stelle nach dem Warum. Betrachten wir ein mal 3 Methanolmoleküle, die in einer Kette wie abgebildet, aufgebaut sind. Ist diese Anordnung ein Zufall? Schon möglich, wir wissen aber, dass die Elektronegativitäten des Sauerstoffs und Wasserstoffs verschieden sind, und zwar beachtlich. Daraus ergeben sich negative Partialladungen an den Sauerstoffatomen und positive Partialladungen an den Wasserstoffatomen, die mit den Sauerstoffatomen verbunden sind. Durch die Anziehung von negativen und positiven Ladungen, nach dem coulombschen Gesetz, kommt es zu einer neuen Form der Bindung. Die Bindungsenergie jeder dieser Bindungen beträgt 21 Kilojoule pro mol. Diese Bindungen werden als Wasserstoffbrückenbindungen bezeichnet. Sie sind dafür verantwortlich, dass die Siedepunkte der Alkohole und Phenole im Vergleich zu den Kohlenwasserstoffen steigen. 

9. Löslichkeit: Betrachten wir ein mal die einfachsten Alkohole, die Alkanole. ROH. Der Substituent R soll dabei CH3, Methyl, C2H5, Ethyl, C3H7, Propyl und C4H9, Botyl sein. Das Experiment lehrt, dass mit Wasser eine Mischbarkeit für die ersten 3 Vertreter, nämlich Methanol, Ethanol und Propanol unendlich groß ist. Für das normale Butanol beträgt die Löslichkeit in Wasser nur noch 80 g/l. Für die Alkanole mit noch größeren Alkylgruppen sinkt die Löslichkeit dann dramatisch weiter. Diese Eigenschaften werden durch gängige Strukturbegriffe wie hydrophil oder das Synonym lipophob erklärt. Hydrophil heißt Wasser liebend und lipophob heißt sich vom Fett abwendend. Für eine kleine Alkylgruppe, CH3, ist die Hydrophilie, Lipophobie, am größten. Mit zunehmender Größe von R, Kettenlänge von R, nimmt die Hydrophilie, Lipophobie ab. Umgekehrt verhält es sich mit den umgekehrten Begriffen. Nämlich hydrophob, Wasser abweisend und lipophil, das heißt Fett liebend. Mit zunehmender Kettenlänge der Alkylgruppe R nimmt die Hydrophobie, Lipophilie, zu. Das heißt, die Wasserlöslichkeit nimmt ab.
10. Alkohole als Säuren und Basen: Alkohole reagieren wie Säuren, so reagiert zum Beispiel Methanol mit Natrium zum entsprechenden Alkoholat und Wasserstoff wird frei. Eine analoge Reaktion ist aus der anorganischen Chemie bekannt. Salzsäure reagiert mit Natrium zu Natriumchlorid und Wasserstoff. Alkohole reagieren auch wie Basen. Ein Alkoholmolekül, wie das Methanolmolekül kann durch ein Proton, ein Wasserstoffion, protunisiert werden. Im Ergebnis entsteht ein Alkyloxoniumion und eine große Menge an Energie wird frei. Das Methanolmolekül wirkt hier als Base, das Wasserstoffion als Säure. Die Reaktion kann man nach der Säure-Base-Theorie von Broensted einfach erklären.
11. Phenol ist eine Säure: Phenol reagiert mit Natriumhydroxid unter Bildung eines Phenolations und entsteht ein Natriumion und ein Wasser wird frei. Das saure Verhalten des Phenols wird durch die erhöhte Stabilität des Phenolations erklärt. Neben der bereits formulierten Struktur kann man durch Umschreibung von Bindungen und Ladungen 3 weitere Strukturen formulieren. Diese Erscheinung bezeichnet man als Mesomerie. Die 4 Strukturen bezeichnet man als mesomere Grenzstrukturen. Mesomerie bedeutet Delokalisierung von Elektronen und nach der allgemeinen Strukturtheorie bedeutet das eine Stabilisierung des Teilchens. Somit wirkt die Triebkraft für die Reaktion von Phenol mit Natriumhydroxid in Richtung der Reaktionsprodukte. Phenol ist sauer. Das Phenolmolekül ist eine Säure, das Natriumhydroxidmolekül eine Base.
12. Elektrophile Substitution des Phenols: Mesomerie haben wir bereits beim Phenolation kennengelernt, sie wird aber auch wirksam beim Phenolmolekül. Neben der bekannten Struktur können wir noch 3 weitere Strukturen aufschreiben. Wir erhalten also im Ganzen 4 mesomere Grenzstrukturen. Somit kommt es zu einer Stabilität des Teilchens. Für die elektrophile Substitution des Phenols ist entscheidend, wo sich negative Ladungen am aromatischen Ring befinden. Die mesomeren Grenzstrukturen zeigen, dass sich diese negativen Ladungen in Ortho- und Parastellung befinden. In Metastellung tritt keine negative Ladung auf. Das bedeutet zweierlei. Zum einen findet in Ortho- und Parastellung ein elektrophiler Angriff statt. Zum anderen ist die Reaktionsfähigkeit des Phenolmoleküls bezüglich einer elektrophilen Substitution größer als des Benzolmoleküls. Das Experiment zeigt die Richtigkeit dieser Überlegungen. Die elektrophile Substitution des Phenols durch Brom ergibt eine dreifache Substitution, nämlich zweimal in den Orthostellungen und einmal in der Parastellung. Und das Entscheidende an der ganzen Sache ist: Die Reaktion läuft völlig ohne Katalysator ab.
13. Oxidation von Alkoholen: Primäre Alkohole reagieren mit geeigneten Oxidationsmitteln. Im Ergebnis wird die Hydroxygruppe in eine Carboxylgruppe umgewandelt. Die Verwandlung eines Alkohols in ein Aldehyd erfordert gewisse präparative Kunstgriffe. Es ist auch möglich, sekundäre Alkohole durch geeignete Oxidationsmittel zu oxidieren. In diesem Fall erhält man eine Ketogruppe. Tertiäre Alkohole sind durch Oxidationsmittel in eine andere organische Verbindungsklasse nicht zu überführen. Wendet man Gewalt an, wie zum Beispiel hohe Temperaturen, so findet eine vollständige Oxidation in Kohlenstoffdioxid und Wasser statt. Das Alkoholmolekül wird zerstört. Wir merken uns: Primäre Alkohole liefern bei der Oxidation Carbonsäuren oder Aldeyhde, sekundäre Alkohole liefern Ketone und tertiäre Alkohole sind in eine andere Substanzklasse nicht überführbar, sie werden durch Oxidation lediglich zerstört.
14. Dehydratisierung von Alkoholen: Von Alkoholen kann man Wasser abspalten. Ich möchte hier kurz den Mechanismus darstellen. Die Reaktion wird durch Wasserstoffionen katalysiert. Das Wasserstoffion protuniert die Hydroxygruppe, es bildet sich ein Oxoniumion. In der 2. Stufe wird ein Wassermolekül abgespalten, -HOH. Es entsteht ein Carbeniumion. Aus dem Carbeniumion entsteht durch Abspaltung eines Wasserstoffions ein Alken.
15. Zusammenfassung: Die Siedetemperaturen von Alkoholen und Phenolen sind bedeutend größer als die Siedetemperaturen von Kohlenwasserstoffen vergleichbarer molarer Massen. Alkohole und Phenole sind bedeutend besser wasserlöslich als Kohlenwasserstoffe. Die 1. Tatsache kann man mit Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb der Alkohol- und Phenolmoleküle erklären. Die 2. Tatsache ist erklärbar aus Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen und den Teilchen der Alkohole und Phenole. Alkohole können je nach Reaktionsbedingungen wie Säuren, wie zum Beispiel mit Natrium reagieren oder auch wie Basen, sie können mit Wasserstoffionen reagieren. Phenol hingegen ist eine Säure. Diese Tatsache ist mit den verschiedenen mesomeren Grenzstrukturen des Phenolations erklärbar. Phenol ist im Gegensatz zum Benzol bedeutend aktiver bezüglich elektrophiler Substitution am Ring. Mit Brom gelingt eine Dreifach-Substitution bei milden Bedingungen ohne Katalysator. Primäre Alkohole liefern bei Oxidation Aldehyde oder Carbonsäuren. Aus sekundären Alkoholen erhält man bei Oxidation Ketone. Und tertiäre Alkohole können keine neue Substanzklasse entstehen lassen, bestenfalls werden sie in Kohlenstoffdioxid und Wasser zersetzt. Man kann aus Alkoholen in Anwesenheit starker Mineralsäuren Wasser abspalten, dabei entstehen Alkene.  Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.